Os elétrons que alimentam nossa sociedade fluem para a esquerda e para a direita pelos circuitos de nossos aparelhos eletrônicos, para frente e para trás ao longo das linhas de transmissão que compõem nossa rede elétrica e para cima e para baixo para iluminar cada andar de cada prédio. Mas os elétrons nos recém-descobertos "cristais de moiré" se movem de maneiras muito mais estranhas. Eles podem se mover para a esquerda e para a direita, para frente e para trás ou para cima e para baixo em nosso mundo tridimensional, mas esses elétrons também agem como se pudessem se teletransportar para dentro e para fora de uma misteriosa quarta dimensão do espaço, perpendicular à nossa realidade perceptível. Os físicos descobriram que esse estranho comportamento quântico recém-descoberto não tem nada a ver com os próprios elétrons e tudo a ver com o estranho ambiente material em que vivem.

Os elétrons em cristais de moiré saltam para uma quarta dimensão através de um processo chamado "tunelamento quântico". Enquanto uma bola de futebol parada no fundo de uma colina permanece no mesmo lugar até que alguém a recupere, uma partícula quântica em um vale pode saltar para fora por conta própria. O tunelamento quântico pode parecer mágico para nós, mas é bastante comum no mundo quântico microscópico, na escala de comprimento dos átomos. O tunelamento quântico também é importante em escalas de comprimento maiores, particularmente em grandes circuitos supercondutores que sustentam um cenário emergente da tecnologia quântica, como reconhecido pelo Prêmio Nobel de Física de 2025. 

No entanto, o tunelamento quântico em cristais de moiré é diferente, pois, uma vez que um elétron tunela, os físicos mediram que ele se comporta como se tivesse tunelado para um mundo completamente diferente e retornado, como se tivesse sido transportado através de uma quarta dimensão “sintética”.

Em um artigo publicado recentemente na revista Nature , uma equipe de pesquisadores do MIT apresenta uma técnica escalável, há muito esperada, para produzir materiais de moiré de alta qualidade na forma de cristais de moiré, superando um gargalo de materiais para aplicações eletrônicas de próxima geração. Além disso, os elétrons nesses cristais se comportam como se pudessem se teletransportar através de uma quarta dimensão do espaço, abrindo caminho para uma abordagem realista de materiais que permita concretizar em laboratório diversas previsões teóricas de supercondutividade e propriedades topológicas em dimensões superiores.

Os coautores principais do estudo são Kevin Nuckolls, pós-doutorando em física no MIT, e Nisarga Paul, PhD '25, e o autor correspondente do estudo é Joe Checkelsky, professor de física no MIT. Além disso, os coautores do estudo no MIT incluem Alan Chen, Filippo Gaggioli, Joshua Wakefield e Liang Fu, juntamente com colaboradores da Universidade de Harvard, da Universidade de Toho e do Laboratório Nacional de Campos Magnéticos Intensos.

Para criar um material moiré, os físicos começam com materiais bidimensionais (2D) ultrafinos, como as folhas de carbono mais finas conhecidas como grafeno. Materiais moiré podem ser criados combinando folhas individuais do mesmo material 2D e torcendo-as umas em relação às outras. Materiais moiré também podem ser criados combinando dois materiais 2D diferentes que são muito semelhantes, mas não exatamente iguais, o que garante que eles nunca se alinhem perfeitamente, mesmo quando cuidadosamente alinhados. Ambos os métodos criam padrões de interferência complexos, onde as camadas individuais dos materiais moiré estão quase alinhadas em algumas áreas e visivelmente desalinhadas em outras. Os físicos chamam esses padrões de "super-redes moiré", nome derivado de tecidos franceses históricos que exibem padrões igualmente belos, gerados pela sobreposição de dois padrões de fios diferentes.

Por mais de uma década, os materiais de moiré têm remodelado

completamente a forma como os físicos projetam e controlam as propriedades dos materiais quânticos, e os laboratórios de física do MIT têm sido o berço de descobertas transformadoras neste campo de pesquisa em constante expansão. Pablo Jarillo-Herrero, professor de física do MIT e detentor da cátedra Cecil e Ida Green, e Raymond Ashoori, professor de física do MIT, foram pioneiros na adoção de novas técnicas para a fabricação de materiais de moiré. Juntos, em 2014, seus laboratórios descobriram que os elétrons em materiais de moiré feitos de grafeno e do material bidimensional nitreto de boro se organizam em um intrincado fractal quântico conhecido como "borboleta de Hofstadter". Em 2018, o laboratório de Jarillo-Herrero descobriu que os materiais de moiré feitos a partir da torção de duas folhas de grafeno eram um terreno fértil para a supercondutividade não convencional que, segundo algumas métricas, é uma das supercondutoras mais fortes já descobertas. Long Ju, professor associado de física da cátedra Lawrence C. e Sarah W. Biedenharn, e seu laboratório descobriram em 2024 que materiais com efeito moiré, feitos de grafeno multicamadas e nitreto de boro, fazem com que os elétrons se dividam em partes fracionárias, um fenômeno quântico que antes se acreditava estar confinado exclusivamente a campos magnéticos extremamente altos, mas que agora pode ser observado sem a necessidade de um campo magnético.

Em comum a todos esses experimentos, e aos realizados em todo o mundo, estavam os esforços incansáveis de estudantes e pós-doutorandos na montagem cuidadosa e manual de dispositivos de material moiré, um de cada vez. Para criar um dispositivo de material moiré, materiais 2D como o grafeno são descolados de cristais semelhantes a rochas, como o grafite, usando fita adesiva. Em seguida, filmes de polímero adesivos e microscópios permitem que os pesquisadores selecionem diferentes materiais 2D, um a um, com uma sequência precisa de ângulos de torção. Finalmente, essas pilhas de materiais 2D são gravadas em dispositivos individuais que permitem aos pesquisadores investigar suas propriedades em laboratório.

Em seu novo estudo, Joe Checkelsky e seu laboratório descobriram uma nova técnica para gerar materiais moiré que dispensa todas essas etapas trabalhosas. Seu novo método adota uma abordagem completamente diferente, capaz de produzir dezenas de milhares de materiais moiré. Em vez de montar amostras uma a uma e camada por camada, Checkelsky e seu laboratório encontraram novas rotas de síntese química que contam com a ajuda da natureza para cultivar "cristais moiré" com super-redes moiré de alta qualidade incorporadas em cada uma de suas camadas. Por analogia, se considerarmos as gerações anteriores de materiais moiré como duas folhas de papel empilhadas com espaçamentos de linha diferentes, Checkelsky descobriu como gerar bibliotecas inteiras de enciclopédias cujas páginas ímpares e pares possuem dois espaçamentos de linha diferentes.

No fim das contas, descobriu-se que a natureza é de longe a melhor em produzir materiais de moiré quando dispõe das ferramentas certas. A equipe do MIT descobriu que os materiais de moiré cultivados naturalmente são quase perfeitos e altamente reproduzíveis. Isso oferece uma demonstração de prova de conceito, há muito esperada, de uma rota potencialmente escalável para o uso de materiais de moiré na eletrônica de próxima geração. Embora ainda existam muitos obstáculos a serem superados para transformar esses resultados científicos fundamentais em tecnologia utilizável, a equipe demonstrou um primeiro passo crucial na direção certa.

Após descobrir como cultivar e manipular super-redes de moiré em cristais de moiré, a equipe começou a investigar suas propriedades. Inicialmente, a equipe descobriu que as propriedades metálicas desses materiais eram surpreendentemente complexas, mas logo mudou sua perspectiva para pensar a partir de um ponto de vista multidimensional, uma ideia inspirada por propostas teóricas feitas há cerca de meio século. Para vislumbrar esse potencial mundo quântico quadridimensional, a equipe realizou estudos detalhados das propriedades eletrônicas e magnéticas de cristais de moiré em campos magnéticos muito intensos. Os elétrons em metais comuns movem-se em órbitas circulares estreitas quando colocados em um campo magnético. No entanto, algo muito especial acontece quando eles se movem em cristais de moiré com duas redes diferentes que interferem entre si. Essa interferência gera uma super-rede de moiré que é matematicamente equivalente a uma rede emergente de "superespaço" quadridimensional. Guiada por essa nova rede de superespaço 4D, a equipe descobriu que esses elétrons agora podiam se mover através dessa quarta dimensão quando seu movimento se alinha à direção em que as duas redes concorrentes interferem mais.

“Metaforicamente, nossas medições revelam 'sombras' da paisagem 4D emergente sobre a qual os elétrons se movem”, diz Nuckolls. “Ao analisar cuidadosamente essas silhuetas 3D de diferentes ângulos e perspectivas, nossa medição reconstrói a paisagem 4D que guia os elétrons nos cristais de moiré.”

Embora essa dimensão sintética extra seja fictícia e os elétrons nos cristais de moiré estejam, na verdade, presos em nossa realidade 3D, eles simulam um mundo quântico quadridimensional com tanta precisão que as propriedades medidas dos cristais de moiré parecem como se os pesquisadores tivessem realizado seus experimentos em 4D. Parece que os cristais de moiré não se importam se a quarta dimensão é fictícia e sintética ou real. Para eles, tanto faz.

“Matematicamente, as equações que descrevem a dinâmica dos elétrons nesses cristais são quadridimensionais”, diz a coautora principal Nisarga Paul. “Os elétrons se propagam na dimensão sintética da mesma forma que se propagam nas três dimensões físicas do nosso mundo. É difícil detectar esse movimento, mas uma das descobertas surpreendentes foi que um campo magnético pode revelar indícios dessa dimensão sintética em propriedades eletrônicas experimentalmente mensuráveis, conhecidas como oscilações quânticas.”

No futuro, a equipe explorará como uma ampla variedade de propriedades de materiais pode se beneficiar de dimensões sintéticas extras, que agora podem estar ao nosso alcance.

“É fascinante considerar o que poderá ser possível a seguir”, diz Checkelsky. “Há previsões teóricas de longa data para condutores e supercondutores de dimensões superiores, por exemplo — materiais desse tipo podem oferecer uma nova plataforma para examiná-los experimentalmente em laboratório.”

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela Fundação Gordon e Betty Moore, pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa Naval dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA, pelas Bolsas Pappalardo em Física do MIT, pela Fundação Nacional de Ciência Suíça e pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA. 

Este trabalho também foi realizado, em parte, através da utilização das instalações do MIT.nano.